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- 莎饽饽 2017-11-01 00:00:00
- 与吸光原理相似
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- 藤馨樾 2017-11-01 00:00:00
- 飞秒检测发现当线偏振光通过某些透明物质(例如糖溶液)后,偏振光的振动面将以光的传播方向为轴线旋转一定角度,这种现象称为旋光现象。旋转的角度φ称为旋光度。能使其振动面旋转的物质称为旋光性物质。旋光性物质不于像糖溶液、松节油等液体,还包括石英、朱砂等具有旋光性质的固体。不同的旋光性物质可使偏振光的振动面向不同方向旋转。若面对光源,使振动面顺时针旋转的物质称为右旋物质;使振动面逆时针旋转的物质称为左旋物质。 实验证明,对某一旋光溶液,当入射光的波长给定时,旋光度φ与偏振光通过溶液的长度l和溶液的浓度c成正比, 若已知某溶液的比旋光率,且测出溶液试管的长度l和旋光度φ,可根据式1求出待测溶液的浓度
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- 光矢量分析仪测量法拉第旋光镜的偏转角度
背景
法拉第旋光镜(FRM)是利用法拉第效应,将输入的光的偏振态旋转90°后再输出的无源器件,其由法拉第旋转器和和反射镜组成。输入光经过法拉第旋转器,将光的偏振态方向旋转45°后经过反射镜反射回来,光再次通过法拉第旋转器将光旋转45°,这样输出光的偏振态就旋转了90°。
通常法拉第旋光镜在光路中的作用为保证光的偏振模色散不变,其在光纤干涉仪中的作用尤其明显。如在迈克尔逊干涉仪中,使用法拉第旋光镜可以保证干涉仪中两臂的偏振模色散不变,使干涉仪的干涉效果得到保证。
然而法拉第旋光镜对不同波长光的偏振态旋转角度并不完全一样,而且在制造过程中还会有不良器件导致旋转角度误差,这就使得其应用到光链路中会造成系统误差。本文中使用光矢量分析系统(OCI-V)来测量法拉第旋光镜的旋转角度,轻松甄别由法拉第旋光镜的偏差角度。偏转角度测试方案
虽然使用OCI-V不能直接测试出法拉第旋光镜(FRM)的偏差角度,但可以利用其能测试出链路中整体的偏振模色散(PMD)的方法间接测试出FRM的偏差角度。为此设计以下光路来进行测试,测试光路图如图1所示。
图1a中的链路中保偏光纤的长度为9.288m,使用OCI-V透射式功能测试保偏光纤的PMD。链路中的总琼斯矩阵为:
(1)
公式中ω为光频率,τPM 为光通过保偏光纤快慢轴的时延。
此时整个链路的PMD为:
(2)
图1b链路中保偏光纤的长度为9.288m,法兰对接上1.0645m的保偏光纤接一个法拉第旋光镜,保偏光纤总长度为10.3525m,使用反射式测量链路PMD,则测试保偏光纤总长度为20.705m。FRM对输入光的偏振态旋转90°,光沿原路返回时PMD会直接抵消,但当FRM的旋转角度出现偏差时,此时OCI-V测出整个链路的PMD实际是由于旋转角误差带来的PMD。
当FRM旋转角误差角度为ε时,链路中总的琼斯矩阵为:
(3)
JPM 和JFRM 的元素矩阵为:
(4)
(5)
公式中ω为光频率,τPM 光单向通过保偏光纤快慢轴的时延。
所以总琼斯矩阵JTOT 为:
(6)
此时整个链路的PMD为:
(7)
使用OCI-V分别测试出两个链路的PMD,由于测试的保偏光纤长度不一致,需将两个链路测试保偏光纤长度的比值计算进公式,利用公式(2)和(7)的关系可求出偏差角ε为:
(8)
测试结果
使用OCI-V对图1a中的整个链路进行测试,测试结果如图2所示,可以看出直接测试9.288m长的保偏光纤PMD平均值在13ps附近,且随着波长的增加PMD有微微增大的趋势,这是由于保偏光纤对不同波长的光群折射率不同的原因,保偏光纤的偏振模色散大约为1.4ps/m,测试结果符合理论值。
图2. 测试光路图PMD
使用OCI-V对图1b中的整个链路进行测试,测试结果如图3所示,可以看出,保偏光纤接法拉第旋光镜测出的PMD值要小很多,波长在1528~1600nm波段的PMD在0~3.5ps之间,这是由于FRM消除链路中偏振态的原因,波长在1550附近有最小的PMD,当波长超出1600nm后PMD出现震荡,这是由于法拉第旋光镜的工作带宽不足以及1600nm波长后偏差角过大导致。
图3. 保偏光纤接法拉第旋光镜的PMD
使用公式8计算出法拉第旋光镜的偏差角度如下图所示,FRM在1528~1600nm波长段的偏差角度在0°~ 7°之间,1550nm波长附近偏差角最小,1600nm波长以后的偏差角过大,不进行讨论。从公式8可以看出,FRM的偏差角取决于两次测量的PMD值,由于OCI-V系统测试PMD有误差,可以通过加长保偏光纤的长度来增加链路的PMD,这样可以尽量消除系统带来的误差。OCI-V测试PMD的精度为±0.1ps,换算为测试偏差角精度为±0.12°。
图4. 法拉第旋光镜偏差角度
结论
使用OCI-V测试偏振模色散的方法可以计算出法拉第旋光镜的偏差角度,其计算FRM偏差角度的精度可达±0.12°,这种方法能十分快速精准地评估FRM的质量。当然使用这种方法也能评估带有FRM的光纤系统,是否因FRM偏差角而带来的PMD,如迈克尔逊干涉仪、环形激光器、光调制器等光学系统,并为这些系统稳定运行提供保障。
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